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Proteintransport durch Membranen

Die Translokation von Proteinen durch Membranen

Der Transport von Proteinen durch Membranen verläuft in Pro- und Eukaryonten nach einem ähnlichen Mechanismus. Bei Prokaryonten müssen Proteine in die Membran bzw. innere Membran, das Periplasma und die äußere Membran transportiert werden (bei Gram-negativen Bakterien). In Eukaryonten ist der Proteintransport noch komplizierter, da hier die Proteine in verschiedene Organellen transportiert werden müssen. Das Transportsystem in Eukaryonten muss also in der Lage sein, erstens die Proteine zur richtigen Organelle bringen zu können, und dann (etwa bei Mitochondrien oder Chloroplasten) auch noch zu unterscheiden, ob das Protein in die äußere Membran, den Intermembranraum, die innere Membran oder das Lumen der Organelle gebracht werden muss.

Da die Bakterien ein gutes Modellsystem für den Proteintransport darstellen und viele Komponenten des bakteriellen Transports zu denen des eukaryontischen Transports homolog sind, soll hier zunächst der Proteintransport in Gram-negativen Bakterien vorgestellt werden.

Proteintransport am Beispiel Gram-negativer Bakterien

In Gram-negativen Bakterien wie E. coli existieren mindestens vier verschiedene Transportwege für Proteine, die als Sekretionssysteme vom Typ I-IV bezeichnet werden. Am Transport sind teilweise verschiedene Komponenten beteiligt; teilweise wird aber auch derselbe Membrantransportkomplex (z.B. der weiter unten erläuterte Sec-Komplex) verwendet. Typ II- und Typ IV-Sekretionssysteme können z.B. über den Sec-abhängigen Pfad verlaufen, können aber auch Sec-unabhängig sein.

Das Typ IV-Sekretionssystem ist homolog zum Konjugationssystem der Bakterien zum Austausch von DNA (Ausbildung eines haarförmigen Pilus, mit dem ein Zell-Zell-Kontakt hergestellt wird) oder dient als VirB-System dem Transport der T-DNA und einigen Virulenzproteinen aus Agrobacterium tumefaciens in Pflanzenzellen. Mehrere VirB-Proteine bilden hier einen großen Komplex, der das Periplasma durchspannt. Auch das Bakterium Helicobacter pylori benutzt ein VirB-Sekretionssystem, um den Virulenzfaktor CagA in Epithelzellen, neutrophile Granulocyten oder Makrophagen zu transferieren. Typ II-Sekretionssysteme transportieren bei Gram-negativen Bakterien vorwiegend extrazelluläre Abbauenzyme durch die Membranen, während Typ I-Sekretionssysteme, über die viele Toxine wie das Hämolysin, Proteasen oder Lipasen aus der Zelle exportiert werden, und Typ III-Sekretionssysteme den Sec-unabhängigen Pfad nutzen.

  • Der wichtigste Translokationsweg wird von den Proteinen SecAp und SecBp vermittelt und wird entsprechend als Sec-abhängiger Pfad (Sec-dependent pathway) bezeichnet. Es transportiert ungefaltete Polypetide mit einer N-terminalen Signalsequenz, während diese noch am Ribosom synthetisiert werden, über einen Transportkomplex in der Membran (co-translationaler Transport).
  • Ein anderer Proteintransportweg verläuft ohne N-terminale Signalsequenz und ohne Beteiligung von Sec-Proteinen. Der Sec-unabhängige Pfad (Sec-independent pathway) heißt auch TAT-Pfad ( für twin arginine translocation system) und verläuft über über den TAT-Membrankomplex. Dieses System transportiert Metalloproteine und Proteinkomplexe im gefalteten Zustand.
  • Der SRP-abhängige Pfad benötigt zur Signalerkennung ein cytoplasmatisches Hilfsprotein, das SRP (signal recognition particle). Dieses SRP dirigiert integrale Membranproteine zur inneren Membran und inseriert diese noch während der Translation (co-translational) in den Sec-Transportkomplex der inneren Bakterienmembran.
  • Auch der YidC-abhängige Pfad (YidC-dependent pathway) inseriert integrale Membranproteine in die innere Membran. Dieses System benutzen aber nur wenige Proteine wie z.B. das Hüllprotein des Bakteriophagen M13.

Literatur

Agarraberes, F. A.; Dice, J. F. (2001): Protein translocation across membranes.. In: Biochim. Biophys. Acta. 1513 , 1-24
Driessen, A. J.; Manting, E. H.; van der Does., C. (2001): The structural basis of protein targeting and translocation in bacteria.. In: Nature Struct. Bio.. 8 , 492-498

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